大體積混凝土冷卻管布置方式對施工溫控的影響分析

拓筱楊

（新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉831100）

1 引言

在進(jìn)行大體積混凝土澆筑時(shí)，經(jīng)常會遇到混凝土溫度過高的問題，會對混凝土澆筑質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，因此，在進(jìn)行大體積混凝土澆筑時(shí)，對混凝土采取一定的降溫措施是十分重要的。目前，在工程施工過程中使用冷卻水管進(jìn)行降溫是一種常用的方法。章景濤等[1]使用數(shù)值模擬方法對澆筑大體積混凝土泵站時(shí)的溫度控制方法進(jìn)行研究，認(rèn)為可以從結(jié)構(gòu)調(diào)整、施工分塊、摻外加劑三個(gè)方面進(jìn)行溫度控制，經(jīng)過實(shí)例印證，效果較好；伍達(dá)明等[2]從施工方面進(jìn)行分析，提出了一種新的施工工藝，可以較好地解決大體積混凝土澆筑時(shí)溫度較高的問題；李之達(dá)等[3]對采用水冷措施進(jìn)行混凝土冷卻時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的分布特征進(jìn)行研究；劉鵬[4]以某大型橋梁承臺大體積混凝土澆筑為例，提出了一種總體施工溫控方案，有效減小了混凝土澆筑時(shí)的內(nèi)外溫度差；何夕平等[5]使用數(shù)值模擬方法對水管冷卻法在混凝土澆筑時(shí)對混凝土材料基礎(chǔ)溫度場的影響作用進(jìn)行分析；常世華[6]對不同水管埋設(shè)方式對混凝土降溫效果的影響進(jìn)行了研究；商桑等[7]對拱壩澆筑過程中，影響混凝土降溫的主要因素進(jìn)行研究，并提出了最優(yōu)的降溫方案，在工程實(shí)踐中取得了較好的效果；郭華偉等對[8]冷卻水管損壞后對混凝土澆筑質(zhì)量的影響機(jī)制進(jìn)行分析，建議在澆筑期間需要保證冷卻水管的完整性；王毅等[9]對通風(fēng)冷卻方法在混凝土降溫中的效果進(jìn)行分析，低風(fēng)溫、小截面情況下，效果較好；吳桐舟等[10]對混凝土徐變情況下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場分布特征進(jìn)行研究，混凝土徐變對溫度的影響隨著水管冷卻時(shí)長的正常而減小。

本文以實(shí)際工程為例，不同的水管布置方式對大體積混凝土壩澆筑過程中的溫度場—應(yīng)力場變化特征進(jìn)行研究。

2 混凝土溫度計(jì)算原理

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)溫度場

混凝土澆筑時(shí)，在水泥的水化熱作用下，混凝土內(nèi)部的溫度不是恒定的，隨著時(shí)間的變化，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度也將產(chǎn)生改變。可以近似認(rèn)為，混凝土內(nèi)部存在熱源，熱源進(jìn)行熱傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度發(fā)生變化。溫度場在一個(gè)區(qū)域R內(nèi)應(yīng)該滿足以下條件:

式中:T表示混凝土溫度；a表示混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；τ表示時(shí)間；θ表示混凝土絕熱溫升。

當(dāng)使用水管進(jìn)行混凝土降溫時(shí)，熱傳導(dǎo)方程為:

式中:T0表示混凝土初始溫度；Tw表示進(jìn)口位置冷水的溫度；θ0表示混凝土最終絕熱溫升；φ、ψ分別表示和水管冷卻效果有關(guān)的函數(shù)。

2.2 溫度應(yīng)力

在混凝土內(nèi)部，由于混凝土初始溫度和最終穩(wěn)定溫度不同，會造成混凝土內(nèi)部存在溫差，溫差的存在會引起混凝土內(nèi)部形成溫度應(yīng)力，計(jì)算公式如下:

式中:Kp表示應(yīng)力松弛系數(shù)（由于混凝土徐變引發(fā)）；R表示基礎(chǔ)約束系數(shù)；EC混凝土彈性模量；α表示溫度線膨脹系數(shù)；μ表示泊松比；k表示混凝土澆筑初期溫升的折減系數(shù)；B表示水化熱溫度應(yīng)力系數(shù)；Tf表示水化熱形成的溫升；c表示體積形變影響系數(shù)；ε0表示初始應(yīng)變。

3 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

3.1 模型建立

某重力壩工程屬于1級建筑物，使用冷水管對混凝土澆筑過程中溫度進(jìn)行控制，布置方案如下:2 m×2 m；2 m×1 m；1 m×1 m。同時(shí)和不通水降溫情況下混凝土澆筑的溫度變化進(jìn)行對比，分析多種方式下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場和應(yīng)力場變化特征。采用冷水管降溫方式的方案，在完成混凝土澆筑工作后，仍然需要通水10 d，進(jìn)水口的冷卻水的溫度為10℃。冷水管布置方式見圖1，共鋪設(shè)5層冷卻水管。

圖1 冷水管布置方式

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

使用ANSYS軟件進(jìn)行大體積混凝土重力壩澆筑過程中的溫度變化模擬。首先獲取大壩內(nèi)部溫度場的變化特征，導(dǎo)出熱分析數(shù)值模擬結(jié)果，作為溫度荷載導(dǎo)入應(yīng)力場進(jìn)行大壩內(nèi)部應(yīng)力場變化特征研究。各種材料參數(shù)取值見表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)取值

3.3 混凝土徐變假定

在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，混凝土徐變的計(jì)算公式如下:

式中:C 表示混凝土的徐變程度；t-τ表示持荷時(shí)間；k、A、B、D、α表示徐變擬合的參數(shù)。取值見表2。

表2 混凝土徐變各參數(shù)取值

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.1 溫度場變化特征

為分析未布置冷水管和不同冷水管布置方案的溫度場和應(yīng)力場變化特征，在壩體內(nèi)部和壩體表面各選取一個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行監(jiān)測分析。其中壩體內(nèi)部點(diǎn)D1位于壩體澆筑過程中的第三層的中心點(diǎn)位置，表面監(jiān)測點(diǎn)D2位于第三澆筑層的右側(cè)角點(diǎn)。從開始澆筑第三層時(shí)開始對冷水管進(jìn)行通水同時(shí)對溫度場變化進(jìn)行監(jiān)測，通水時(shí)長為10 d，完成通水后繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。溫度場變化特征監(jiān)測結(jié)果見圖2。

從圖2監(jiān)測結(jié)果可以看出，不同方式下，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度均呈現(xiàn)出先上升后下降最終趨于穩(wěn)定的變化方式。冷卻水管的布置具有較好的降溫效果，當(dāng)使用冷卻水管進(jìn)行混凝土降溫處理時(shí)，澆筑混凝土的過程中混凝土重力壩內(nèi)部最高溫度較不進(jìn)行降溫處理低，且隨著冷卻水管布置密度的加大，降溫效果越明顯。使用1 m×1 m的冷卻水管布置方式，出現(xiàn)了混凝土溫度低于環(huán)境氣溫的情況，有可能造成混凝土產(chǎn)生裂縫。混凝土表面D2點(diǎn)的溫度變化與外界環(huán)境溫度變化一致。

圖2 內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)D1溫度變化特征

4.2 應(yīng)力場變化特征

對壩體混凝土澆筑后20 d內(nèi)的應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，其中前10 d為混凝土澆筑完成后繼續(xù)通水降溫的過程，后10 d為停止通水降溫的后續(xù)變化過程。建立數(shù)值模擬模型后，對壩體平行水流方向的水平方向應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，分析壩體內(nèi)部應(yīng)力的變化特征。

不同方式下壩體內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)D1的平行水流方向的水平方向應(yīng)力變化過程見圖3。由圖3可知，內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)D1在施工過程中、施工完成后均承受壓應(yīng)力。采用降溫措施對混凝土進(jìn)行降溫后，壩體內(nèi)承受的壓應(yīng)力均有一定程度的降低，壩體澆筑的混凝土材料溫度的降低，有利于緩解壩體內(nèi)部的應(yīng)力緊張狀態(tài)。

不同方式下壩體表面監(jiān)測點(diǎn)D2的平行水流方向的水平方向應(yīng)力變化過程見圖4。從圖4可以得知，表面監(jiān)測點(diǎn)D2在施工過程中、施工完成后均承受拉應(yīng)力，主要原因是混凝土內(nèi)部溫度與外部環(huán)境之間存在的溫差。第31天，由于新一層澆筑的開始造成壩體盈利突變。當(dāng)使用1 m×1 m的方式布置冷卻水管時(shí)，拉應(yīng)力最大，因此，冷卻水管布置較密集，混凝土溫度變化較為劇烈，限制了混凝土徐變的作用，使得表面承受較大的拉應(yīng)力。

不同方式下壩體表面監(jiān)測點(diǎn)D2的最大拉應(yīng)力變化過程見圖5。由圖5可知，表面監(jiān)測點(diǎn)D2在施工過程中、施工完成后均承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力隨著時(shí)間逐漸增大，其中使用1 m×1 m的方式布置冷卻水管時(shí)，壩體表面最大拉應(yīng)力增加最大，超過2.1 MPa，大于澆筑混凝土的抗拉強(qiáng)度，說明壩體表面會形成拉裂縫。

圖3 內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)D1水流方向的水平方向應(yīng)力變化特征

圖4 表面監(jiān)測點(diǎn)D2水流方向的水平方向應(yīng)力變化特征

圖5 表面監(jiān)測點(diǎn)D2最大拉應(yīng)力變化特征

5 結(jié)論

（1）使用冷卻水管對大體積混凝土重力壩澆筑時(shí)的溫度控制具有較好的效果，隨著冷卻水管布置的密集度增加，冷卻效果越高，但冷卻管布置過密時(shí)，則會造成混凝土溫度低于環(huán)境溫度，降低混凝土澆筑質(zhì)量。

（2）當(dāng)冷卻管布置過密時(shí)，造成混凝土壩體表面承受較大的拉應(yīng)力，超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)則會引起表面產(chǎn)生裂紋，2 m×1 m為較好的冷卻管布置方式，可為類似工程提供參考。